Host-plant resistance of Arabidopsis ecotypes with different glucosinolate profile for different phytophagous insect

Die Modellpflanze Arabidopsis thaliana (L.) gehört zur Familie der Brassicaceae, welche zur Herbivorenabwehr das Glucosinolat(GS)-Myrosinase-System, auch die Senfölbombe genannt, besitzt. Neben der primären Funktion der GS und korrespondierender Hydrolyseprodukte zur Abwehr von Generalisten unter den Insekten sowie Pathogenen (GIAMOUSTARIS & MITHEN, 1995, TIERENS et al., 2001), nutzen zahlreiche auf Brassicaceae spezialisierte Insekten diese Sekundärmetabolite zur Wirtspflanzenfindung und Akzeptanz (RENWICK, 2002). Mehr als 120 verschiedene GS wurden bisher beschrieben, welche sich durch die Seitenkettenreste am Aglucon (ß-Thioglucosid) unterscheiden (FAHEY et al., 2001). Hierbei werden die GS in drei Klassen unterteilt: 1) in A. thaliana zumeist aus Methionin gebildete aliphatische GS, 2) von Tryptophan abgeleitete Indolyl-GS und 3) von Phenylalanin abstammende aromatische GS. Die Indolyl-GS sind uniform verbreitet in der Brassicaceae-Familie und normalerweise in allen A. thaliana-Ökotypen vorhanden, wobei gezeigt wurde, dass diese stark durch Umweltfaktoren beeinflusst werden (KLIEBENSTEIN et al., 2001, RAYBOLD & MOYES, 2001). Im Gegensatz hierzu ist die aliphatische S-Zusammensetzung in A. thaliana-Ökotypen und Brassica sehr variabel, und die Seitenkettenmodifizierung ist stark genetisch determiniert (KLIEBENSTEIN et al., 2001, LI & QUIROS, 2002). Bisher wurde der Funktion aliphatischer GS-Diversität in Bezug auf ihre mögliche Bedeutung für die Resistenz gegenüber Insekten nicht ausreichende Aufmerksamkeit geschenkt. Deshalb überprüften wir, ob sich ein unterschiedlicher GS-Phäno- / Genotyp auf die Wirtspflanzeneignung für verschiedene spezialisierte phytophage Insekten auswirkt.The model plant Arabidopsis thaliana (L.) belongs to the family Brassicaceae, which is characterized by the glucosinolate(GS)-myrosinase defense system. Indolyl GS are relatively uniform distributed in A. thaliana ecotypes while aliphatic GS profiles are diverse. We used ecotypes with different aliphatic GS profile to test the function of such diversity in plant resistance against insects. Main GS detected were: methylsulfinylbutyl GS in Col-0 and AA-0, allyl GS in Cnt- 1 and Can-0 as well as 3-hydroxypropyl GS in Ka-0. Corresponding GS hydrolysis products of Col- 0 were isothiocyanates, but all other ecotypes produced nitriles (epithionitriles). Bioassays were conducted with two aphids, the generalist Myzus persicae (Sulzer) and the specialist Brevicoryne brassicae (L.), two caterpillars, the polyphagous noctuid Spodoptera exigua (Hübner) and the oligophagous pierid Pieris rapae (L.) as well as one specialist beetle Phaedon cochleariae (F.). Significant differences in insect performance on ecotypes were detected for the aphid and caterpillar species but not for P. cochleariae. Best insect performance was on AA-0, whereby this ecotype showed lowest aliphatic GS content of ecotypes. Interestingly, caterpillar performances measured as percent weight gain was different on Ka-0 and Cnt-1. P. rapae performed worse on Ka- 0 and good on Cnt-1 while S. exigua weight gain was better on Ka-0 but poor on Cnt-1. Several factors are considered in this study to explain different insect performance on ecotypes: different constitutive GS level, major aliphatic GS produced, and dominant hydrolysis products formed

Diabrotica virgifera virgifera LeConte in confrontation mood : simultaneous geographical and host spectrum expansion in southeastern Slovenia

Diabrotica virgifera virgifera LeConte, in its original North American habitat also known as western corn rootworm beetle, actively continues its expansion to new territories and uses Homo sapiens as its prime vector. It took only 15 years to spread to and occupy the southeastern and central parts of Europe, so far with the exception of Denmark where it has not been documented as of 2007. Economic thresholds have been reached and surpassed only in Southeast European countries like Slovakia, Hungary, Serbia, Eastern Croatia, Romania and Northern Italy. But both, the area affected and the severity of symptoms are increasing. Model calculations by a number of authors (Baufeld & Enzian, 2005 a and b; Hongmei Li & al. 2006, CLIMEX model) indicate a definitive propensity of D. v. virgifera to expand its currently occupied territory to regions with moderate temperatures and Zea mays cultivation. East Africa and Eastern Asia are included in the list of potential candidates for future inadvertent introduction. In most discussions it is tacitly and erroneously assumed that Z. mays is the only or the only important host of D. v. virgifera. Our recent observations in Eastern Slovenia on the oil pumpkin Cucurbita pepo indicate, however, that this simplifying assumption is notlonger strictly valid. It has to be modified in light of new evidence. Here, we report a few field experiments conducted in August of 2006 clarifying the host status of C. pepo in a European country.Diabrotica virgifera virgifera LeConte (Coleoptera: Chysomelidae), im deutschsprachigen Raum als Westlicher Maiswurzelbohrer bekannt, ist ein von der Neuen Welt nach Europa eingeschleppter Schädling. Er gelangte in mindestens drei Einwanderungsschüben, die durch molekulargenetische Untersuchungen unterscheidbar sind, nach Europa. Innerhalb der letzten eineinhalb Jahrzehnte wurde, mit Ausnahme von Dänemark, die gesamte Fläche Südost- und Zentraleuropas vom Käfer besiedelt. In mehreren osteuropäischen Ländern ist die ökonomische Schadensschwelle bereits überschritten. Bis 2006 galt Zea mays als einzige bekannte europäische Wirtspflanze. Allerdings deuten neueste Beobachtungen in Ostslowenien vom August 2006 auf kleine Zahlen von Käfern am Ölkürbis Cucurbita pepo und damit auf eine Ausdehnung des Wirtsspektrums von D. v. virgifera hin. Der Käfer tritt in kleinen Zahlen als Besucher von Ölkürbisblüten mit einer Häufigkeit von 0,1 % auf. Er ist aber auch in geringer Häufigkeit in Kairomon- und Pheromonfallen in Ölkürbisfeldern südlich von Gaberje in Ostslowenien anzutreffen. Dieses Ergebnis stellt den zukünftigen Wert des Fruchtwechsels in Frage, der bisher als eine der wirksamsten und nachhaltigsten Methoden des integrierten Pflanzenschutzes galt

Effect of glucosinolate profile modifications in Arabidopsis thaliana (L.) on the performance of different specialist Lepidoptera

Die Glucosinolate (GS) sind charakteristische sekundäre Pflanzeninhaltsstoffe, vorkommend in der Gruppe der Brassicaceae und anderen Familien der Ordnung Brassicales (Halkier & Gershenzon 2006). Bisher sind mehr als 120 verschiedene GS beschrieben, welche eine gemeinsame Grundstruktur mit variablem Seitenkettenrest kennzeichnet (Fahey et al. 2001). Je nach chemischer Natur der Seitenkette werden die GS in aliphatische, aromatische und Indolyl-GS unterteilt. Alle GS-enthaltenden Pflanzen besitzen zusätzlich räumlich getrennt von den GS hydrolysierende Enzyme, so genannte Myrosinasen. Erst nach Zellbeschädigung kommen die beiden Komponenten in Kontakt zueinander und weitere biologisch aktive Verbindungen wie z. B. Isothiocyanate und Nitrile werden freigesetzt (Rask et al. 2000). Das GS-Myrosinase-System ist ein effektives Abwehrsystem insbesondere gegenüber generalistischen Insekten, Pathogenen und Bakterien, allerdings dienen vielen spezialisierten Insekten diese Stoffe zur Wirtspflanzenfindung und -akzeptanz (Renwick 2002, Halkier & Gershenzon 2006). Die Modellpflanze Arabidopsis thaliana L. enthält als Vertreter der Brassicaceae GS als Fraßabwehrstoffe. In A. thaliana als auch in Brassica ist das aliphatische GS-Muster sehr variabel, wohingegen die Indolyl-GS weit verbreitet sind (Kliebenstein 2001, Li & Quiros 2002). Allerdings fehlen Studien zur Funktion dieser GS-Klassen innerhalb der Pflanzenresistenz gegenüber Phytophagenfraß. Deshalb wurden zwei A. thaliana -Mutanten mit verändertem aliphatischen bzw. Indolyl-GS-Profil im Vergleich zu Columbia WT auf die Wirtspflanzeneignung für drei verschieden spezialisierte Lepidoptera-Arten getestet.Plants have developed diverse, complex defense mechanisms for dealing with their enemies. Members of the Brassicaceae family use the glucosinolate(GS)-myrosinase system to deal with their enemies. According to their precursor amino acid the GS are classified in aliphatic, aromatic, and indolyl GS. Indolyl GS are widely distributed in Arabidopsis thaliana (L.) ecotypes and Brassica ssp., but the presence of aliphatic GS is highly variable. The impact of certain GS classes on plant resistance to insects is not yet discovered. Therefore, we studied the host-plant suitability of A. thaliana Columbia GS mutants to different Lepidopteran species compared to the wild-type. Two specialist species, Pieris rapae L. and Pieris brassicae L. and one generalist species Spodoptera exigua (Hübner) were selected for the feeding studies. As mutants we used mam3+ with reduced aliphatic GS levels compared to Columbia wild-type and cyp79B2-cyp79B3- which is characterized by the complete loss of indolyl GS. The weight gain of the generalist S. exigua within three days was significantly higher on mutant lines of mam3+ and cyp79B2-cyp79B3- than on Columbia wild-type. In contrast, the performance of the specialist species P. rapae and P. brassicae was not different on the genotypes. The reason for different host-plant suitability of mutants for the generalist and specialist insects is discussed

Nanostructured silicas – Insecticidal effect and new developments

Die insektizide Wirkung inerter Stäube ist bereits seit Jahrhunderten bekannt, jedoch wurde der genaue Wirkmechanismus vieler Stäube erst in den letzten Jahrzehnten untersucht. Die insektizide Eigenschaft von Silikatstäuben wird auf die Physisorption von Cuticularlipiden und damit einhergehende Zerstörung der Wachsschicht der Epicuticula sowie folgende Austrocknung der Arthropoden (entsprechend den Fickschen Diffusionsgesetzen) zurückgeführt. Die insektiziden Eigenschaften und deren Wirkungsgrad werden vorrangig über die spezifischen Oberflächen bestimmt. Dabei haben große Oberflächen einen höheren Wirkungsgrad als kleine Oberflächen und lassen sich hydrophobe Materialien vielseitiger einsetzen als hydrophile. Im vorliegenden Manuskript wird auf die Verwendung von amorphen Silikaten in unterschiedlichen Formulierungen in den Bereichen Geflügelhaltung, Vorratsschutz und Gartenbau eingegangen. Dabei stehen seit neuestem nicht mehr Stäube sondern vielmehr Flüssigformulierungen im Vordergrund.Modern research on the insecticidal effects of inert dusts as a stored-grain protectant and for plant protection purposes began in the 1920’s. The main advantage of inert dusts is their low environmental thread. One group of inert dusts used for pest control is amorphous silica. Amorphous silica has been tested as a whole and is according to the International Agency for Research on Cancer not classifiable as to its carcinogenicity to humans. Silica such as diatomaceous earths can kill insects by ab/adsorbing the lipids such as waxes and triglycerides of the outer cuticle layer by direct contact. When the thin, waterproof layer is lost, the insect dries out following Ficks law of diffusion into the surrounding atmosphere. Small particles with large surfaces are more effective than larger particles and some silicas show even surface structures within the nanometer range. The present manuscript describes the current use of amorphous silica in poultry systems, for stored product protection, as well as in horticultural production systems. New formulations are liquid rather than dusts. Particles used in commercial products are nowadays hydrophobic and not hydrophilic enabling a larger range of application

Effectivity of a natural silica dust (AL06) compared to other natural and synthetic amorphous silica dusts against the granary weevil Sitophilus granarius (L.)

Sand, Lehm und Aschen zur Bekämpfung von Vorrats- und Hygieneschädlingen werden seit Jahrhunderten eingesetzt. Der zunehmende Bedarf an umweltschonenden alternativen Schädlingsbekämpfungsmitteln führte zu einer Renaissance des Einsatzes inerter Stäube, insbesondere von amorphen Diatomeenerden. Bei diesen Stäuben handelt es sich um fossile Ablagerungen der Silikatskelette von Kieselalgen (Diatomeen). Der insektizide Wirkmechanismus von Diatomeenerden (DE) besteht hauptsächlich in der Physiosorption von Cuticulalipiden und damit einhergehender Zerstörung der vor Austrocknung schützenden Wachsschicht der Cuticula (Mewis & Ulrichs, 2001a). Bei höherer relativer Luftfeuchte kommt es jedoch zu einer Sättigung der DE mit Wasser und dadurch zu einer Herabsetzung der Lipidaufnahmefähigkeit, welche die Wirksamkeit von DE bestimmt. Um DE auch bei höheren relativen Luftfeuchten einsetzen zu können, werden sie nachträglich hydrophobisiert (Faulde & al., 2006) bzw. werden direkt hydrophobe, synthetische Kieselsäuren eingesetztoder DE in Kombination mit anderen natürlichen Insektiziden verwendet (Ulrichs & Mewis, 2000; Akbar & al., 2004). Eine zusätzliche Hydrophobisierung von DE ist jedoch mit zusätzlichen Kosten verbunden. Des Weiteren sind synthetische Kieselsäuren aufgrund der geringen Partikelgrößen und der schlechten elektrostatischen Aufladbarkeit alleine schwer applizierbar. In Kooperation mit der Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe wurde deshalb an der Humboldt-Universität zu Berlin nach alternativen natürlichen Substanzen gesucht, die ähnliche physiko-chemische Eigenschaften aufweisen wie Diatomeenerden. Gefunden wurde ein natürlich vorkommendes Schichtsilikat mit großer Oberfläche, welches in den folgenden Versuchen mit AL06 bezeichnet wurde. In den durchgeführten Versuchen wurden insektizide Eigenschaften von AL06 im Vergleich zu weiteren natürlichen und synthetischen Silikaten untersucht.Common natural silica based insecticides such as diatomaceous earth (DE) are only effective under low relative humidities (r.h.). At r.h. above 60 % only surface modified, hydophobe DE’s and hydrophobe synthetic silica products can be used against insect pests. Chemical modification of DE is expensive while synthetic products are often difficult to apply because they cannot easily be charged for electrostatic application and have very small particle sizes. The present study compares the insecticidal effect of new naturally occurring silica (formulation name: AL06) with unmodified DE and synthetic silica products. In experiments with the granary weevil Sitophilus granarius (L.) all materials showed an insecticidal effect at 20 °C temperature and r.h. of 65 %. The natural DE product FossilShield FS100® showed the lowest degree of efficacy followed by AL06 whereby the hydrophobic materials Advasan® and PA910® showed the best activity. Already after 6 days in forced contact experiments with a dosage of 0.5 g/m² all materials resulted in 100 % mortality but differed in potential at lower rates. In contrast when substances were mixed with wheat at a dosage of 2 g/kg 100 % mortality occurred only with Advasan®. Here the mortality rate was reduced because insects can metabolize water from food sources. AL06 seems to be an alternative silica product for pest control strategies at higher r.h. The degree of efficacy of AL06 can be increased by modification of particle size and surface modifications (e.g. hydrophobe surfaces). Further studies with different AL06 formulations are currently ongoing

Nutritional diversity in leaves of various amaranth (Amaranthus spp.) genotypes and its resilience to drought stress

The nutritional diversity in leaves of twelve accessions of four amaranth species (Amaranthus caudatus, A. cruentus, A. hybridus, A. hypochondriacus) was studied in a randomized complete block design (n = 5). The accessions revealed high contents of the macronutrients K, Ca, Mg, and P, while the micronutrients Fe and Zn were comparatively low (542 – 717, 304 – 497, 131 – 230, 74 – 166, 0.9 – 1.3, 0.4 – 0.9 mg 100 g-1 fresh weight, respectively). Protein contents were found to be higher (23 – 32%) compared to other commonly consumed leafy vegetables in Sub-Saharan-Africa. Phenolic acid and flavonoid contents strongly varied between accessions and to some extent were lower in comparison to those reported in literature. Amaranth is reported to be drought tolerant, thus, one accession of each species was subjected to two different drought stress conditions (moderate – 35 – 45% field capacity, severe – 15 – 25% field capacity, n = 3). Well-watered plants were used as control (60 – 70% field capacity). A significant reduction in plant height and fresh matter occurred in all accessions with increasing drought stress, whereas contents of nutritional compounds increased. Phenolic acids and flavonoid contents in all accessions/species were not affected by drought stress except for A. cruentus where total phenolic acids significantly increase

Evaluating the practicability of commercial food-scanners for non-destructive quality assessment of tomato fruit

The assessment  of  tomato  fruit  quality  depends  on  a  variety  of  extrinsic and intrinsic quality parameters such as color, firmness and sugar content. Conventional measurement methods of these quality parameters  are  time  consuming,  require  various  measurement  de-vices,  and  in  case  of  intrinsic  quality,  involve  destructive  measurements. Latest research focused on the non-destructive determination of these parameters by using spectroscopic measurements. The goal of  this  study  was  to  evaluate  the  capability  of  three  commercially  available  portable  and  miniaturized  VIS /NIR spectrometers, so called food-scanners, in predicting various tomato quality attributes in a non-destructive way. Additionally, this study evaluated the software provided by manufacturers for building of prediction models by comparing the results derived from those software tools to state-of-the-art software for multivariate analysis. Evaluation of food-scanner spectra resulted in prediction models of high accuracy (r² > 0.90) for tomato fruit firmness, dry matter, total soluble solids and color values L*, a* and h°. Prediction models computed with manufacturer’s soft-ware showed similar accuracy to those derived from state-of-the-art evaluation software. Results of this study illustrate the great potential of  commercial  food-scanners  for  non-destructive  quality  measurement.  Further  important  features  of  food-scanners  with  respect  to  the application along the fresh produce supply chain are addressed

Hemp Waste as a Substrate for Hermetia illucens (L.) (Diptera: Stratiomyidae) and Tenebrio molitor L. (Coleoptera: Tenebrionidae) Rearing

The article processing charge was funded by the Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG, German Research Foundation) – 491192747 and the Open Access Publication Fund of Humboldt-Universität zu Berlin.The proper treatment of cannabis agricultural wastes can reduce the environmental impact of its cultivation and generate valuable products. This study aimed to test the potential of cannabis agricultural wastes as a substrate for the rearing of black soldier fly larvae (BSFL) and yellow mealworms (MW). In the case of BSFL, replacing the fibre component (straw) in the substrate with the hemp waste can increase the nutritional value of the substrate and led to bigger larvae. The bigger larvae had lower P and Mg, and higher Fe and Ca. Crude protein also varied based on the size of larvae and/or the content of protein in the initial substrate, which was boosted by replacing straw with hemp material. No other cannabinoids than cannabidiolic acid (CBDA), cannabigerolic acid (CBGA), and cannabidiol (CBD) were found in significant amounts in the larvae. In the case of MW, the larvae grew less on the hemp material in comparison to wheat bran. Replacing wheat bran with the hemp material led to smaller larvae with higher Ca, Fe, K, and crude protein content, but lower Mg and P values. No cannabinoids were detected in the MW fed with the hemp material.Peer Reviewe

Bioefficacy of enhanced diatomaceous earth and botanical powders on the mortality and progeny production of Acanthoscelides obtectus (Coleoptera: Chrysomelidae), Sitophilus granarius (Coleoptera: Dryophthoridae) and Tribolium castaneum (Coleoptera: Tenebrionidae) in stored grain cereals

This publication is with permission of the rights owner freely accessible due to an Alliance licence and a national licence (funded by the DFG, German Research Foundation) respectively.Food losses caused by insects during postharvest storage are of paramount economic importance worldwide, especially in Africa. Laboratory bioassays were conducted in stored grains to determine the toxicity of powders of Eugenia aromatica and Moringa oleifera alone or combined with enhanced diatomaceous earth (Probe-A® DE, 89.0% SiO2 and 5% silica aerogel) to adult Sitophilus granarius, Tribolium castaneum and Acanthoscelides obtectus. Adult mortality was observed up to 7 days, while progeny production was recorded at 6–10 weeks. LD50 and LT50 values for adult test insects exposed to plant powders and DE, showed that A. obtectus was the most susceptible towards the botanicals (LD50 0.179% and 0.088% wt/wt for E. aromatica and M. oleifera, respectively), followed by S. granarius. Tribolium castaneum was most tolerant (LD50 1.42% wt/wt and 1.40% wt/wt for E. aromatica and M. oleifera, respectively). The combined mixture of plant powders and DE controlled the beetles faster compared to the plant powders alone. LT50 ranged from 55.7 h to 62.5 h for T. castaneum exposed to 1.0% M. oleifera and 1.0% DE, and 0.5% E. aromatica and 1.0% DE, respectively. Botanicals caused significant reduction of F1 adults compared to the control. Combined action of botanical insecticides with DE as a grain protectant in an integrated pest management approach is discussed.Peer Reviewe